C-RAN架构下高能效的资源分配相关问题研究

发布时间：2018-04-23 12:02

本文选题：C-RAN + OFDM　；参考：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：快速日益增长的无线数据业务及大量普及的高速数据应用,促进了无线通信网络标准从3G到4G到现在5G的演进,但同时也对现有的网络架构带来了许多新的挑战,如由站点部署的密集化导致的系统功耗的增加等。而C-RAN(Cloud Radio Access Network)作为一种新型的网络架构,为现有网络架构所面临问题的解决提供了可能。C-RAN是云无线接入网英文名称的缩写,其特点在于将传统基站中的基带处理单元和前端无线发射单元从地理位置上分隔开,通过高速光传输网络将这两个部分相连接,构成一种分布式RRH(Remote Radio Head,远端射频头)结合集中式BBU(Baseband Unit,基带处理单元)的架构。其优势一方面在于大大减少了基站选址建设部署方面的开销及空调等相关配套设施的数量,降低了运营维护的成本及系统运行的能量消耗;另一方面,集中式的处理架构也使得一些大规模的资源分配及干扰协调算法在实际网络中的应用实现成为可能,网络性能能够有效得到提升。而与此同时,C-RAN全新的系统架构也带来了一些新的技术层面的挑战,需要针对性地设计高效的多天线协作算法及无线资源的联合调度策略以充分利用C-RAN在架构上带来的优势。在这样的背景下,本文从C-RAN整体架构出发,以提高系统能效为目标,对其中的资源分配相关问题进行了研究,并提出相应的策略。首先是在基于 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分多址)接入机制的C-RAN架构下进行频率资源分配及干扰协调相关方面的策略设计,这部分内容构成了本文的前两个研究点。第一个研究点是针对同构小区的小区部署方式,采用基于部分频率复用的策略进行频率资源的分配。这里将小区划分为边缘区域和中心区域两个部分,对于边缘区域中的业务负载提出了一种新型的基于图染色的动态频率资源分配策略,同时考虑了邻小区之间的干扰协调。对与小区中心区域的业务负载提出了以减少系统中处于工作模式BBU数量的资源分配策略,并将其与小区边缘的频率资源分配策略相结合,得出最终的BBU与RRH的对应资源分配方式。通过仿真和分析验证了所提策略的性能,相对于现有的较为固定的频率资源费分配方式及传统的无线通信网络架构,其能够有效提升系统频率资源利用率,并降低系统总功耗,从而实现较高的能量效率。第二个研究点针对采用基于异构小区部署的C-RAN架构下的频率资源分配策略进行了研究,主要在研究点一的基础上,改进所提出的图染色算法,使之适用于异构网络架构。并采用系统级仿真方式,对所提策略的性能进行了验证。仿真结果表明,相对于现有传统架构下异构网频率资源分配策略,所提策略相比于现有异构网架构下的频率资源分配策略在能效上有了明显的提高,同时在用户公平性上也有所提高。与第一个研究点相结合,这两方面的研究为现有第四代无线通信网络架构向C-RAN架构的演进提供了资源分配策略上的依据及性能上的参考。之后是在基于RRH多天线协作C-RAN架构下RRH和BBU的联合资源分配策略的相关研究,由本文的第三和第四个研究点所构成。其中,第三个研究点针对静态的用户业务,考虑多个RRH对用户的协作传输,通过波束成形向量的设计来实现用户之间的干扰抑制和资源分配。同时结合BBU自身基带处理能力限制的约束条件,创新性地将RRH功耗与BBU功耗相结合构造能效效用函数,并以所提出的系统能效效用函数的最大化为目标构造优化问题。在求解的过程中,将该问题等价地分解为波束成形向量的优化问题及BBU资源的调度问题。其中BBU资源的调度问题被构造为一个装箱问题,并提出了相应的次优算法进行求解。通过对两个子问题的求解,本文设计了该型网络架构下联合RRH天线资源和BBU计算处理资源的资源分配策略,充分利用了 BBU架构所带来的优势。第四个研究点考虑时延敏感类用户业务,采用队列的方式对用户的数据到达和处理传输进行建模,创新性地从C-RAN整体架构出发,运用Lyapunov优化方法构造结合用户业务时延性能和系统能效的联合优化问题。对所构造的问题进行分解,分别得到数据许可控制,BBU处理速率控制及RRH到用户的波束成形向量优化三个子问题。通过对这三个子问题的求解得到满足系统长时能效优化的联合资源调度策略。仿真结果和理论推导显示,通过相应的参数设置,可以在系统的能效性能和用户业务的时延性能之间实现折中权衡。结合研究点三,这两方面的研究为下一代基于多天线协作的无线通信网络的设计构建和业务应用提供了理论及实践应用上的参考。本文的研究为C-RAN架构在当前及未来无线通信网络中的应用给出了资源分配相关的策略设计和性能分析,为现有无线通信网络的架构升级和下一代无线通信网络的构建及部署给出了相应的参考,具有重要的指导和实践应用价值。
[Abstract]:This paper presents a new architecture of radio access network ( RRH ) , which is based on OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiple Access ) access mechanism . In the process of solving the problem , the paper designs a resource allocation strategy based on RRH and BBU , which combines RRH power consumption with BBU power consumption .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN915.02

【参考文献】